基于LabVIEW的地下水污染物遷移監測系統設計

文｜張艷杰 康智慧 譚景輝

一、引言

水資源在地球上是十分寶貴的財富，在生活和工農業生產中都是必不可少的。針對于地下水的監測方面，目前我國采用最多的還是人工測量的方式或者利用從國外購置引入的專用監測儀器和自動化監測系統，采取現場的水樣，保存并送到實驗室進行專業的測試分析。這些監測工作基本都是對水位或水質進行的單項監測，因此，研究地下水污染物自動化監測系統具有實際意義。在地下水的自動化監測方面，地下水情況的參考數據一般都是水位、濁度、溶氧量等參數。虛擬儀器（以下稱LabVIEW），能夠實時進行數據處理，快速高效。因此，本文設計了基于LabVIEW的地下水污染物遷移監測系統，通過對多個相同監測系統的多個地點的數據進行采集和處理，實現對地下水的污染物離子濃度監測和數據傳輸等功能。

二、虛擬儀器

LabVIEW可以同時測量多個參數，效率很高?？梢愿鶕嶋H需求進行隨機改變，更新周期縮短，時效性強。采用LabVIEW則不用采用更多的硬件設備，節約成本?？梢娀贚abVIEW的地下水污染物遷移自動化監測系統不僅僅能夠實時監測到地下水中離子濃度的情況，而且也彌補了以單片機等硬件設計研發監測設備的不足之處，而且檢測系統成本低，操作十分簡單。

三、基于LabVIEW的地下水污染物遷移監測系統設計

（一）系統總體流程設計

監控系統要實現對地下水污染物的遷移監測，要進行數據采集和數據分析處理，并且同時實現對數據的顯示、打印、存儲、查詢等操作處理功能。因此設計主要包括硬件部分設計和軟件部分設計。硬件部分有傳感器、信號調理電路和數據采集卡，軟件部分則是數據采集和處理的編程設計（見圖1）。

圖1 總體設計流程圖

（二）硬件部分設計

根據監測系統要實現的功能，硬件部分主要包括三部分：傳感器、信號調理電路和數據采集卡。功能主要是實現測量的數據信號的采集、放大和傳送到電腦。因此硬件設計的主要任務就是完成傳感器選型、放大電路設計以及數據采集卡選型。

傳感器的功能主要是采集地下水中影響水質的污染物的離子濃度并且能夠將采集到的數據轉換為可以傳輸到數據采集卡的電壓信號，而且選擇傳感器時還要考慮到實用性、成本、測量范圍、響應速度、精確度等因素。離子選擇性電極是一種不需要復雜儀器就可以對待測液體進行無破壞性分析的簡易工具，各種形式存在的離子都可以用它檢測分析，幾微升的待測樣品都可以進行測量，所以十分適合用于野外的自動監測和分析。因此決定選擇實用性較高的離子選擇性電極。

通過傳感器采集得到離子濃度數據，還需要根據實現的功能需求進行特殊處理。信號調理電路主要就是進行相應的數據處理工作。由于不同類型的傳感器具有不同的功能，除了考慮到一些常見的特性，還需要根據不同傳感器的性質和要求來實現其特殊的信號調節功能。傳感器通常輸出一個小信號，必須使用適當的信號調節電路，以減少量化誤差。將電路的輸出電壓傳輸到數據采集卡，轉換為數字信號，然后輸入到電腦端。

根據放大器電路的要求，通過對通用型運算放大器LM324和OP07運算放大器進行仿真對比，仿真結果顯示LM324的放大倍數有一定的誤差，對信號的真實程度影響較大，而OP07運算放大器基本沒有誤差，故選擇OP07運算放大器作為本次設計的信號放大電路。

針對于需要實現的功能要求，查詢相關資料后擬采用研華系列板卡。最后選擇PCI1711U作為數據采集傳輸的硬件，它主要由PCI1711 DAS卡、驅動光盤（含有驅動軟件）、接線電纜和接線板這幾部分組成。

（三）軟件部分設計

軟件設計部分是利用LabVIEW進行編程實現，根據設計要求實現數據的輸入、處理等操作。根據設計任務要求需達到功能，軟件設計系統的顯示界面設計如圖2所示，限于篇幅原因，部分程序框圖如圖3所示。

圖2 顯示界面設計圖

圖3 部分程序框圖

離子濃度數據經過傳感器測量，放大電路處理后通過數據采集卡輸入端傳輸到PC機，然后電腦利用LabVIEW中已經安裝好的研華板卡的工具包對板卡進行打開、配置、選擇通道來采集數據。由于采集到的數據信號經過了放大電路的放大處理，以及離子選擇電極的電勢差，因此需要求出原來的電勢差，再根據離子濃度符合能斯特公式設計算法，計算出離子濃度，如圖4所示。

圖4 公式算法圖例

LabVIEW中有很多函數都可用于實現保存輸入的數據的功能。參考數據的大小和數據的保存方式，可以根據用戶的需求選擇對應的數據保存函數來存儲數據，這些函數能夠把數據存儲成不同的格式，設計的數據存儲采用二進制測量文件保存方式。

本次設計采用了LabVIEW自帶的打印報表VI，結合了事件結構，當用戶根據自己需求選擇打印哪一條通道數據時，按下對應的按鈕，就會觸發事件，然后即可進行打印操作。

如果需要查看以前的數據進行對比時，可以執行此操作，把歷史數據顯示出來進行對比?；谛枨蟛捎檬录Y構實現按鈕觸發事件，當按鈕值改變，觸發事件結構和條件結構，進入for循環，再根據設置的讀取個數把數據從存儲的文件中讀取出來。

當數據量較大的時候，想要只觀察后來采集的數據，此時可以執行此操作，把前面數據顯示部分清除。此部分設計根據按鈕的值改變觸發事件結構對應的分支，根據對應按鈕的屬性節點進入條件結構，進而初始化波形圖表。當查詢歷史數據后，若需要把顯示的數據清除可以點擊按鈕進行此操作，設計跟清除數據部分基本相同。

四、仿真驗證分析

以某段水域的數據為例，驗證該模型的有效性?；贚abVIEW的地下水污染物遷移自動監測系統的顯示波形圖如圖5所示。

五、結語

圖5為當前條件下的該水域中離子數據趨勢圖。我們在該水域上游、中間、下游放置傳感器，并將其與PC端的通道2、通道0、通道1 對應。根據實際情況，傳感器探測得到某處的離子濃度先下降隨后穩定在一個數值處，并且結果中離子濃度的上限值警示燈亮起，說明該水域存在污染，并且污染物的濃度超過警示上限。在其他位置放置的傳感器檢測水域中該離子濃度的變化。在下游檢測到該水域的離子濃度呈現上升趨勢，并且幅值變化較快，與PC端通道1中顯示結果一致。在上游檢測到該水域的離子濃度也呈現較小幅度的攀升，但是未超過警示上限值。仿真結果顯示污染物的移動趨勢往下游方向移動，與實際結果基本一致。

圖5 波形顯示圖

地下水的監測工作就是為了保障我國的可用水資源的可持續發展。本次設計利用多傳感器實現對數據的采集、并利用LabVIEW進行數據的分析處理，根據傳感器傳輸數據與監測系統在不同通道顯示的數據進行對比分析實現對地下水污染物遷移的自動監測。